1、第三单元 化学能与电能的转化 第1课时 化学能转化为电能 化学电源 1.体验化学能与电能转化的实验探究过程，了解原电池的工作原理。2.能写出电极反应和电池反应的方程式。3.了解常见化学电源及其在生产生活中的应用。4.能够根据化合价的变化判断常见化学电源的正、负极。5.了解金属电化学腐蚀的原理。一、原电池 1.原电池及构成条件：(1)原电池：将化学能转变为_的装置。电能(2)构成条件：实验探究 装置 实验现象 实验结论及解释 铜片：_ 铜与稀硫酸_ 锌片：不断溶解，_ 反应的离子方程式：_ 铜片：_ _ _ 锌片：_;电流计：指针_ 说明有电子从_ 流入到_ 没有明显现象 不反应 有无色气体产生
2、 2H+Zn=Zn2+H2 有无色气体产生 H+在铜片上得到电 子被还原成氢气 不断溶解 发生偏转 锌片 铜片 构成条件 活泼性不同 电解质溶液 闭合回路 2.原电池的工作原理：(1)粒子流向：外线路电子流向：_。内线路离子流向：电解质溶液中，H+流向_，流向_。从锌片流向铜片 铜片 锌片 24SO(2)电极反应：电极名称 负极 正极 电极材料 _ _ 得失电子 _ _ 反应类型 _ _ 电极反应 _ _ 总反应 _ 锌片 铜片 失电子 得电子 氧化反应 还原反应 Zn-2e-=Zn2+2H+2e-=H2 Zn+2H+=Zn2+H2 二、金属的电化学腐蚀 1.电化学腐蚀：(1)条件：不纯的金属
3、跟_接触。(2)结果：发生_反应，_的金属失去电子而被 氧化。电解质溶液 原电池 比较活泼 2.钢铁的腐蚀：(1)条件：电极：铁和少量_形成两个电极。电解质溶液：水膜中含有少量_及_等。碳 H+和OH-氧气(2)电极反应(以吸氧腐蚀为例)：负极反应式：_。正极反应式：_。(3)铁锈的形成过程：Fe2+2OH-=Fe(OH)2 4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3 Fe(OH)3在一定条件下脱水生成红色的铁锈(主要成分为Fe2O3xH2O)。2Fe-4e-=2Fe2+2H2O+O2+4e-=4OH-三、化学电源 1.制造原理：_原理。2.优点：_远大于燃料燃烧。原电池 能量转化率
4、3.化学电源的分类：(1)_电池：用过之后不能复原，如锌锰干电池等。(2)二次电池：放完电后可以充电，充电后能继续使用，如银 锌纽扣电池、铅蓄电池、镍氢电池等。(3)燃料电池：燃料和氧化剂分别在两个电极上反应，如氢氧 燃料电池、甲醇-空气燃料电池等。一次 负极：_(氧化反应);正极：_(还原反应);总反应式：_。2H2-4e-+4OH-=4H2O O2+2H2O+4e-=4OH-2H2+O2=2H2O【思考辨析】1.判断正误：(1)铜锌稀硫酸构成的原电池中，由于锌更活泼，所以锌片 上有气泡产生。()分析：由于铜片为正极，H+在正极得电子，发生还原反应而产 生氢气，因此应在铜片上有大量气泡产生。
5、(2)将铜片和锌片用导线连接插入酒精中，电流计指针发生偏 转。()分析：酒精不是电解质，不能构成闭合回路，不能形成原电 池，电流计指针不会发生偏转。(3)原电池中外电路中的电子的流向是由正极流向负极。()分析：原电池中外电路中的电子的流向是由负极流向正极的。(4)在空气中，纯铁比生铁(含有碳杂质)更易腐蚀。()分析：生铁由于含有碳杂质，其表层吸附水膜后，形成了一层 电解质溶液，因此可形成原电池而造成电化学腐蚀，而纯铁中 无杂质，不易形成原电池，因此生铁更易腐蚀。2.问题思考：(1)请思考作原电池两极的材料有什么样的要求?分析：首先必须能导电，如金属材料、石墨等;其次，若两极都是金属，则活泼性必
6、须不同，且一般负极材料和电解质溶液能发生化学反应。(2)化学反应都可用来设计原电池吗?试说明理由。分析：不是。原电池反应过程中有电子的转移，形成原电池的化学反应必须是氧化还原反应。(3)原电池的电极材料是否一定参加电极反应?试举例说明。分析：原电池的电极材料有的参加反应，如铜锌原电池的负极材料金属锌表现为电极溶解，但是有的原电池负极材料并不参加电极反应(如燃料电池);原电池的正极材料通常不参加电极反应，如铜锌原电池的正极材料金属铜不参加反应。【知识链接】化学能 化学能是物质发生化学反应时所释放的能量，是一种很隐蔽的能量，它不能直接用来做功，只有在发生化学变化的时候才释放出来，变成热能或者其他形
7、式的能量。二次电池 利用化学反应的可逆性，可以组建成一个新电池，即当一个化学反应转化为电能之后，还可以用电能使化学体系修复，然后再利用化学反应转化为电能。燃料电池 一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。具有以下特点：能量转化效率高，燃料和空气分别送进燃料电池，它直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程。一、原电池原理及正、负极的判断 1.原电池的工作原理：2.原电池的判断方法“四看”：3.原电池正、负极的判断方法：【知识备选】电化学中常用的氧化还原反应的知识(1)氧化还原反应中概念间的关系：(2)金属的还原性及其离子的氧化性：【学而后思】(1)较活泼的金属一定作原
8、电池负极吗?试举例说明。提示：不一定。一般是较活泼金属作原电池负极，较不活泼的金属或导电的非金属作正极，但也有较不活泼的金属作负极的，如镁铝电极在稀硫酸中构成原电池，镁为负极，铝为正极;但若以氢氧化钠为电解质溶液，则铝为负极，镁为正极。(2)原电池两极转移的电子数有何关系?提示：原电池中，负极失去电子发生氧化反应。正极上得到电子发生还原反应，根据氧化还原反应中电子守恒定律知，正极上得电子总数与负极上失电子总数相等。二、原电池原理的应用 1.比较金属的活泼性强弱：两种金属分别作为原电池的两个电极时，一般作负极的金属的活泼性较强。2.加快化学反应速率：原电池的化学反应速率大于一般的化学反应速率。例
9、如：实验室利用Zn与稀硫酸反应制氢气时，可向溶液中滴加少量CuSO4溶液，形成CuZn原电池，加快反应进行。3.设计原电池：例如：依据反应Zn+FeSO4=ZnSO4+Fe设计成原电池的思路如下：步骤 理 论 示 例 确定 电极 反应 将氧化还原反应拆成氧化反应和还原反应两个半反应，分别作原电池的负极反应和正极反应 负极：Zn-2e-=Zn2+，正极：Fe2+2e-=Fe 步骤 理 论 示 例 确定 电极 材料 在原电池中，选择还原性较强的物质作为负极;氧化性较强的物质作为正极，并且原电池的电极必须导电。电池中的负极必须能够与电解质溶液反应，容易失去电子，因此负极一般是活泼的金属材料 该电池中
10、负极只能是锌，正极可能是铁或铜或石墨等 确定 电解 质溶 液 电解质溶液是使负极放电的物质。因此电解质溶液一般要能够与负极发生反应，或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应(如空气中的氧气)该电池中的电解质溶液应是含有Fe2+的溶液【学而后思】(1)若给出的是离子反应Zn+Fe2+=Zn2+Fe，则该电池的电解质可能有哪些?提示：可能有FeSO4、FeCl2或Fe(NO3)2。(2)某同学设计原电池时将锌片和铜片作电极插入蔗糖溶液并用导线相连，请问该同学能成功吗?并分析其原因。提示：不能。因为蔗糖不是电解质，缺少构成原电池的条件之一电解质溶液。(3)反应CaO+H2O=Ca(OH)2是一
11、个放热反应，请思考能否根据该反应来设计原电池?为什么?提示：不能。该反应虽是一个放热反应，但其不是一个氧化还原反应，构成原电池的反应必须是自发的氧化还原反应。三、原电池电极反应式的书写方法 1.一般电极反应式的书写：2.复杂电极反应式的书写：正、负极反应式相加即可得到原电池总反应式，相加时应注意正、负极得失电子数目要相等。因此，复杂的电极反应式=原电池总反应-简单的电极反应式。【学而后思】(1)已知铅蓄电池的总反应式为Pb+PbO2+4H+2PbSO4+2H2O，正极反应式为PbO2+2e-+4H+=PbSO4+2H2O，其负极反应式是怎样的?提示：由总反应-电极反应=另一个电极反应，得铅蓄电
12、池的负 极反应式为Pb-2e-+=PbSO4。242SO 放电=24SO 24SO(2)已知甲烷、空气、KOH燃料电池的正极反应式为O2+4e-+2H2O=4OH-，负极反应式为CH4-8e-+10OH-=+7H2O，那么其总反应式是怎样的?提示：由两个电极反应(电极反应转移电子必须相等)相加=总 反应，可得总反应式为CH4+2O2+2OH-=+3H2O。23CO 23CO 类型 一 原电池原理 【典例】(2013东城区高一检测)如图所示是Zn和Cu形成的原电池，某实验兴趣小组做完实验后，在读书卡上的记录如下，则卡片上的描述合理的是()A.B.C.D.实验后的记录：Cu为负极，Zn为正极 Cu
13、极上有气泡产生，发生还原反应 向Cu极移动 若有0.5 mol电子流经导线，则可产生0.25 mol气体 电子的流向是：CuZn 正极反应式：Cu-2e-=Cu2+，发生氧化反应24SO【解题指南】解答本题要注意以下两点：(1)熟练掌握原电池的原理，负极发生氧化反应，正极发生还原反应。(2)原电池外电路中电子的流向是从负极流向正极。【解析】选B。铜锌形成原电池的时候，锌是负极，铜为正极;由于锌失去电子变成锌离子进入溶液中，电子通过外电路流向正极，溶液中的氢离子在正极上得到电子，变成氢气，发生还原反应;由于阳离子向正极移动，所以阴离子硫酸根离子向负极移动;若有0.5 mol电子流经导线，由于正极
14、的电极反应式为2H+2e-=H2，所以会产生0.25 mol的氢气;电子的流向是由负极流向正极，所以应该是由ZnCu;正极反应式是2H+2e-=H2，发生还原反应。【变式训练】(2013江苏高考)Mg-H2O2电池可用于驱动无人驾驶的潜航器。该电池以海水为电解质溶液，示意图如下。该电池工作时，下列说法正确的是()A.Mg电极是该电池的正极 B.H2O2在石墨电极上发生氧化反应 C.石墨电极附近溶液的pH增大 D.溶液中Cl-向正极移动【解析】选C。在原电池中活泼金属做负极，即Mg为负极，A错误;通入H2O2的一极为正极，故在反应过程中得电子发生还原反应，B错误;石墨电极处的电极反应式为H2O2
15、+2e-+2H+=2H2O，溶液pH增大，C正确;原电池中，电解质溶液中的阴离子向负极移动，D错误。【变式备选】如图为铜锌原电池示意图，下列说法中正确的是()A.铜是电池的负极，锌是正极 B.电子由铜片经导线流向锌片 C.铜电极附近溶液因产生Cu2+而变蓝 D.将铜电极换成石墨电极时总反应不变【解析】选D。锌比铜活泼，所以锌电极为负极，铜电极为正极，电子应从负极流向正极，锌为负极，失电子，故电子应由锌片经导线流向铜片，故A、B均错误;铜作为正极材料，自身并不参与电极反应，正极发生反应的为溶液中的氢离子，C错误;构成原电池的两电极材料，可为金属与金属，也可为金属与非金属，锌比石墨活泼，故锌仍为原
16、电池负极，总反应为Zn+2H+=Zn2+H2。类型 二 原电池原理的应用 【典例】(2013台州高一检测)理论上讲，任何自发的氧化还原反应都可以设计成原电池。请利用反应“Cu+2Ag+=2Ag+Cu2+”设计一个化学电池(正极材料用碳棒)回答下列问题：(1)该电池的负极材料是 ，发生 反应(填“氧化”或“还原”)，电解质溶液是 ;(2)正极上出现的现象是 ;(3)若导线上转移电子1 mol，则生成阳极产物的质量为 g。【解题指南】解答该题要注意以下3点：(1)在金属的置换反应中较活泼金属作负极;(2)较不活泼的金属在正极析出;(3)电解质是含不活泼金属离子的可溶性盐。【解析】在Cu+2Ag+=
17、2Ag+Cu2+中，Cu作还原剂，应作原电池的负极，失去电子，发生氧化反应;Ag+作氧化剂，在原电池的正极得电子，故碳棒上有银白色物质析出，且每转移1 mol电子，则生成银108 g;电解质是含Ag+的可溶性盐，通常是AgNO3溶液。答案：(1)Cu 氧化 AgNO3溶液(2)碳棒上出现银白色物质 (3)108【名师点评】讲解本题时应注意以下3点：(1)能够设计成原电池的反应，一定是氧化还原反应;(2)设计原电池时注意构成原电池的三个条件“两极一液一回路”;(3)原电池两极转移的电子数相等，可以用其来计算电极质量的变化或产生气体的体积等。【互动探究】(1)正极材料换为银棒可以吗?负极换为铁棒可
18、以吗?提示：正极材料可以是碳棒，也可是比铜活泼性差的金属如银棒，但负极材料必须是铜，若换为铁棒，则负极是Fe-2e-=Fe2+。(2)请按要求画出该原电池的装置图。提示：【方法规律】原电池设计类题目的解题流程【变式训练】(2013蚌埠高一检测)把A、B、C、D四块金属泡在稀硫酸中，用导线两两相连可以组成各种原电池。若A、B相连时，A为负极;C、D相连，D上有气泡逸出;A、C相连时，A极减轻;B、D相连，B为正极。则四种金属的活动性顺序由大到小排列为()A.ACDB B.ACBD C.ABCD D.BDCA【解析】选A。应用原电池原理比较金属活动性时，注意电子流向、电流方向、正负极、氧化反应、还
19、原反应与活动性的关系。根据原电池原理，作为负极的金属活动性比正极金属的活动性强。电子流动方向是由负极流向正极，电流方向与电子流动方向相反，因此可依次作出如下判断：活动性：AB;CD;AC;DB。故金属活动性ACDB，故应选A。【变式备选】铁及铁的化合物应用广泛，如FeCl3可用作印刷电路铜板腐蚀剂和外伤止血剂等。(1)写出FeCl3溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式_ 。(2)若将(1)中的反应设计成原电池，请在方框内画出原电池的 装置图，标出正、负极，并写出电极反应式。负极反应式：;正极反应式：。【解析】(1)FeCl3溶液腐蚀印刷电路铜板，应为FeCl3与Cu的反应，其离子方程式为Cu+2F
20、e3+=Cu2+2Fe2+。(2)由反应Cu+2Fe3+=Cu2+2Fe2+可知：铜由0价变为+2价，失电子，发生氧化反应，为负极材料，负极反应式为Cu-2e-=Cu2+;Fe3+由+3价变为+2价，得电子，为正极反应物，故电解质溶液为FeCl3溶液，正极反应式为2Fe3+2e-=2Fe2+。而正极材料只要是活泼性比铜差的导体即可，如石墨、银、铂等。答案：(1)Cu+2Fe3+=Cu2+2Fe2+(2)Cu-2e-=Cu2+2Fe3+2e-=2Fe2+1.(2013郑州高一检测)下列装置可以构成原电池的是()【解析】选C。原电池构成的三个条件是：活泼性不同的两个电极(A错误)，电解质溶液(B错
21、误)，用导线连接构成闭合回路(D错误)，C满足三个条件。2.对原电池的电极名称，下列叙述中错误的是()A.电子流入的一极为正极 B.比较不活泼的一极为正极 C.电子流出的一极为负极 D.发生氧化反应的一极为正极【解析】选D。发生氧化反应的一极为负极，正极得电子，发生还原反应。3.钢铁发生吸氧腐蚀时，负极上发生的电极反应式是()A.2H+2e-=H2 B.Fe-2e-=Fe2+C.2H2O+O2+4e-=4OH-D.Fe-3e-=Fe3+【解析】选B。钢铁发生吸氧腐蚀时，负极应失电子，发生氧化反应，反应物为铁，其电极反应式为Fe-2e-=Fe2+。4.下列反应不可用于设计原电池的是()A.NaO
22、H+HCl=NaCl+H2O B.2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O C.Zn+2HCl=ZnCl2+H2 D.4Al+3O2+6H2O=4Al(OH)3【解析】选A。能够用于设计原电池的反应必须是氧化还原反应。NaOH+HCl=NaCl+H2O属于复分解反应，不属于氧化还原反应。5.A、B、C三个烧杯均盛有相同物质的量浓度的稀硫酸。(1)A中反应的离子方程式为 。(2)B中Sn作 极，电极反应式为 ;Sn极附近溶液的酸性 (填“增大”“减小”或“不 变”)。(3)C中Zn作 极，Fe极观察到的现象是 。【解析】(1)A中铁与稀硫酸发生化学反应，离子反应为Fe+2H+=Fe2+H2。(2
23、)B、C都是原电池装置，B装置中：Fe是负极，Sn是正极，负极反应为Fe-2e-=Fe2+，正极反应为2H+2e-=H2，c(H+)减小。(3)C装置中：Zn是负极，失电子不断溶解，Fe作正极，氢离子放电产生氢气。答案：(1)Fe+2H+=Fe2+H2(2)正 2H+2e-=H2 减小(3)负 有无色气泡产生 原电池构成条件的实验探究 上图是铜锌原电池示意图，某同学为了进一步探究该原电池的 构成条件及原电池外电路上电子的流向，进行了以下实验探 究：(1)若单独将锌片插入H2SO4溶液中有什么现象?为什么?提示：锌片逐渐溶解，有大量气泡产生。因为锌的活泼性比氢强，所以锌可以将氢离子还原成氢气。(
24、2)若单独将铜片插入H2SO4溶液中有什么现象?为什么?提示：铜片不溶解，无气泡产生。原因是铜的活泼性比氢弱，所以铜不能将氢离子还原成氢气。(3)将锌片，铜片平行插入H2SO4溶液中，有什么现象?提示：锌片逐渐溶解，在锌片上产生大量气泡，铜片无变化。(4)若将锌片，铜片用一导线连接再浸在H2SO4溶液中，有什么现象?提示：锌片逐渐溶解，铜片上有大量气泡产生。(5)铜片与稀硫酸不反应，但与锌片相连后，铜片上为什么有气泡产生?气体是什么?导线间接一电流计有何现象产生?为什么?提示：当铜片和锌片用导线相连后浸入稀硫酸中，形成原电池，锌作负极，铜作正极，锌片失去电子逐渐溶解形成锌离子进入溶液中，电子通过外电路由负极流向正极，溶液中的氢离子在铜电极上得到电子形成氢气放出。若在导线间连接一电流计会看到电流计指针发生偏转，原因是导线上有电子通过，电子的定向流动就会形成电流。(6)通过上述实验，请总结构成原电池的条件是什么?提示：通过上述实验，构成原电池的条件有3点：有活动性不同的两个电极;电解质溶液;形成闭合回路。
